医学影像学课件-原子核和放射性

一.原子的核状结构,二.玻尔理论的基本假设,三.原子的能级和电子的轨道半径,原子的能级,J.J汤姆逊原子模型,1903年J.J.汤姆逊提出，原子中的正电荷和原子质量均匀地分布在半径为10-10m的球体内，电子浸于此球体中，即“葡萄干蛋糕模型”。,卢瑟福是J.J.汤姆逊的学生，提出了原子的有核模型。,原子核介绍,粒子散射实验,卢瑟福的原子有核模型,卢瑟福用粒子轰击原子，探索原子内部结构，并提出原子的有核模型。,粒子为氦核,以c/15轰击金箔，,在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的入射方向，从而发生散射现象。,绝大部分粒子经金箔散射后，散射角很小2-3，1/8000的粒子偏转大于90,卢瑟福原子有核模型结论,.原子的中心是原子核，几乎占有原子的全部质量，集中了原子中全部的正电荷。,.电子绕原子核旋转。,.原子核的体积比原子的体积小得多。,原子半径10-10m,原子核半径10-14-10-15m,1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础上，提出原子的中心是一个重的带正电的核，与整个原子的大小相比，核很小。电子围绕核转动，类似大行星绕太阳转动。这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。从这个模型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就被公认了。,按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。所以原子应是一个不稳定的系统。,轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，原子光谱应是连续的光谱。实验表明原子相当稳定，这一结论与实验不符。实验测得原子光谱是不连续的谱线。,有核模型与经典理论的矛盾,玻尔（NielsHenrikDavidBohr，1885-1962丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。1911年，他来到卡文迪什实验室，在J.J.汤姆逊的指导下学习和研究，当得知卢瑟福从粒子散射实验提出了原子的有核模型后，他深感钦佩，同时也非常理解该模型所遇到的困难。于是他又转赴卢瑟福实验室求学，并参加粒子散射的实验工作，他坚信卢瑟福的有核模型，认为要解决原子的稳定性问题，必须用量子概念对经典物理来一番改造。,玻尔量子论,在1913年玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上，结合原子光谱的经验规律，应用普朗克于1900年提出的量子假说，和爱因斯坦于1905年提出的光子假说，发表了论原子构造与分子构造等三篇论文，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的光的假说。从而完满地解释了氢原子光谱的规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大进展，推动了量子物理学的形成，具有划时代的意义。,一.原子核的组成,二.原子核的表示,三.原子核的大小,四.原子核的质量亏损,五.原子核的结合能,第一节原子核的基本性质,氢核带一个单位的正电核质子数Zmp=1.007276u,质量数A=Z+N1u=1.66056610-27kg,不能长期存在于自然界不带电中子数Nmn=1.008665u,质子(proton),中子(neutron),一.原子核的组成,原子核的基本性质,二.原子核的表示,质量数,原子序数,元素的化学符号,原子核的基本性质,四.质量亏损(massdefect),实验证明，一个原子核的质量，总是小于组成它们的核子的质量之和。,m=Zmp+(A-Z)mn-mA,例：核子组成氦核所发生的质量亏损为,m=(21.007276+21.008665)-4.001506=0.030376u,原子核的基本性质,五.结合能(bindingenergy),由相对论质能关系，系统的质量改变m时，一定伴有能量改变Emc2,核子组成核时所释放出的能量叫做原子核的结合能。,1u的质量改变对应的能量为,1uc2=1.66056610-27(2.99792108)2=1.4924410-10J=931.5MeV,原子核的基本性质,核子结合成核,核分裂为核子,放出能量,供给能量,原子核的稳定性,核子组成原子核时所释放的能量对核子数求平均值-平均结合能,描述原子核的稳定性,原子核的基本性质,五.结合能(bindingenergy),一.衰变（alphadecay）,二.衰变（betadecay）,三.衰变（gammedecay）,第二节原子核的衰变,原子核自发地放射出某种射线而转变为另一种核素的现象,这种不稳定核素叫做放射性核素,核素放出射线的性质叫做放射性,母核母体,子核子体,原子核的衰变,一.衰变,放射性核素的原子核放射出粒子而衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变.,衰变反应式,原子核的衰变,例镭核衰变为氡核,Q衰变能,粒子及其动能,射线,原子核的衰变,一.衰变,衰变过程中放出的能量。大部分以粒子的动能的形式放出，还有一部分是子核反冲动能（约占2）。,Q衰变能,原子核的衰变,一.衰变,衰变能中的大部分转变为粒子的动能，本例中为4.777MeV和4.589MeV。,射线就是粒子流。,粒子高速从核中飞出,在受到物质阻止失去速度后,俘获两个电子变成一个中性的氦原子.,粒子及其动能,94.3%,5.7%,原子核的衰变,一.衰变,生成的子核具有不同的能态，当子核从激发态向基态跃迁时，把多余的能量以光子的形式辐射出来，就是射线。,射线,原子核的衰变,一.衰变,一.衰变,放射性核素的原子核放射出粒子而衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变.,衰变反应式,衰变的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核前移两位。,原子核的衰变,1.衰变,3.电子俘获,2.衰变,二.衰变,放射性核素的原子核放射出粒子而衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变.,原子核的衰变,1.衰变,放射性核素的原子核放射出负电子而衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变.,衰变反应式,衰变的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核后移一位。,原子核的衰变,原子核内是不含有电子的。在衰变中，原子核中一个中子转换为一个质子时，同时产生一个负电子和一个中微子。,n,p,+,0,1,e,+Q,0,0,原子核的衰变,二.衰变,例放射性磷衰变为硫核,中微子,电荷数为零，质量均为电子质量的0.05%，质量数也为零。,射线,原子核的衰变,二.衰变,射线,生成的子核具有不同的能态，当子核从激发态向基态跃迁时，把多余的能量以光子的形式辐射出来，就是射线。,原子核的衰变,二.衰变,2.衰变,放射性核素的原子核放射出正电子而衰变为另一种原子核的过程,叫做衰变.,衰变反应式,衰变的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核前移一位。,原子核的衰变,原子核内也不含有正电子。在衰变中，原子核中一个质子放出一个正电子转变为一个中子，同时放出一个中微子。,原子核的衰变,二.衰变,例放射性氮核衰变为碳核,中微子,电荷数为零，质量均为电子质量的0.05%，质量数也为零。,电子对淹没,射线,正电子寿命很短，它与周围物质相互作用时，可在核场的作用下与一个电子结合产生两个飞行方向相反的光子。0.511MeV,原子核的衰变,二.衰变,射线,生成的子核具有不同的能态，当子核从激发态向基态跃迁时，把多余的能量以光子的形式辐射出来，就是射线。高职截止！,原子核的衰变,二.衰变,3.电子俘获,放射性核素的原子核俘获一个核外电子，使核中的一个质子转变为一个中子，从而衰变为另一种原子核的过程,叫做电子俘获.,衰变反应式,电子俘获的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核前移一位。,原子核的衰变,原子核俘获的电子是内层电子，俘获后原子核的壳层中缺少一个内层电子,这是不稳定状态，当外壳层电子跃迁到内层来填补这个空位时，放射出子核的标识X射线。,有些核素在发生电子俘获后，子核处于激发状态，这时会发射射线。,原子核的衰变,二.衰变,1.衰变,3.电子俘获,2.衰变,二.衰变,原子核的衰变,三.衰变与内转换,核衰变中产生的子核若处于激发态，它会很快地从高能级跃迁到较低的能级，同时把多余的能量以光子的形式辐射出来。,衰变反应式,基态核,原子核的衰变,若原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，不向外幅射光子，而是将能量直接传递给核外的内壳层电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这一过程叫做内转换。,内转换的结果，使原子内壳层上出现了空位，较外层电子将来填补这一空位，从而辐射出标识X射线或俄歇电子。,原子核的衰变,三.衰变与内转换,一.衰变规律,第三节核衰变的规律,二.半衰期(halflife),三.平均寿命(meanlife),四.放射性活度(radioactivity),核衰变的规律,一.衰变规律,一.衰变规律,:衰变常数,是反映原子核衰变快慢的物理量.,核衰变的规律,二.半衰期(halflife),1.物理半衰期,2.生物半衰期,3.有效半衰期,核衰变的规律,1.物理半衰期,衰变规律,把t=T时N=N0/2代入得：,取对数：ln2=0.693T,核衰变的规律,放射性核素衰减到原来数量一半所需的时间。,1.物理半衰期,放射性核素衰减到原来数量一半所需的时间。,衰变定律又可为,核衰变的规律,2.生物半衰期,在生物体内，放射性核素除按上述物理衰变规律减少外，由于生物体的新陈代谢，也会使母核减少。我们把母核由于这种原因减到原来数量一半所需的时间叫做生物半衰期。,核衰变的规律,3.有效半衰期,由于上述两种原因，生物体内的放射性核素的母核衰减到原来数量一半所需的时间。,核衰变的规律,考虑到两种衰变过程同时发生，有,有效衰变常数,核衰变的规律,衰变规律,3.有效半衰期,把t=T时N=N0/2代入,取对数：ln2=0.693eT,核衰变的规律,衰变规律,3.有效半衰期,二.半衰期(halflife),1.物理半衰期,2.生物半衰期,3.有效半衰期,核衰变的规律,dt时间内衰变的原子核有,其寿命为t,寿命之和为tNdt,在t=0到t=时间内N0个核衰变,其寿命之和,核衰变的规律,三.平均寿命(meanlife),三.平均寿命(meanlife),放射性核素在全部衷变完之前平均存在的时间。,与、T一样，也是表示核衰变快慢的常数。,核衰变的规律,四.放射性活度(radioactivity),单位时间内衰变的核子数.,单位:贝可Bq(becquerel),核衰变的规律,核衰变的规律,四.放射性活度(radioactivity),四.放射性活度(radioactivity),单位时间内衰变的核子数.,单位:贝可Bq(becquerel),与t有关,核衰变的规律,例:放射性碘131I出厂时的放射性活度为9.25105Bq,问15天后其放射性活度还有多大?(T=8d),解:,核衰变的规律,2、利用I作核素成像的显像剂，刚出厂的试剂，满足显像要求的注射量为0.5ml。求：（1）如试剂存放了11天，满足成像要求的注射量应为多少？（2）如果最大注射量不得超过8ml，则该显像剂的最长存放时间是多少？设I的半衰期为8.04d。,解（1）设出厂时1ml试剂的放射性活度为，试剂存放11天后满足显像要求的剂量为xml，依题意，若想满足成像要求，放置前后需注射的试剂的放射性活度应相等，即,x=1.3ml,(2)设t天后8ml试剂的放射性活度与出厂时0.5ml试剂的放射性活度相等